不同几何角度车刀的温度-应力耦合场分析.docVIP

不同几何角度车刀的温度- 应力 耦合场分析 X 彭彬彬, 王爱玲, 庞学慧 ( (华北工学院机械工程系, 山西太原030051) 摘　要: 　目的　为了得出刀具的几何角度与其强度和刚度之间的关系. 方法　以车刀为例, 利用有限元软 件AN SYS 对车刀的各主要切削角度(包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等) 在应力场和温度场的共 同作用下的应力应变进行了分析. 结果　得出了刀具的各主要几何角度对刀具的强度和刚度的影响. 结论 　刀具的温度- 应力耦合场分析, 分析精度明显优于单纯的结构分析, 为金属切削的理论研究与实践以及 切削力学的研究提出了一种新方法, 并作了有效尝试. 关键词: 　刀具角度; 有限元分析; 耦合 中图分类号: 　TH161+ . 3　　　　　文献标识码: A 0　引　言 由于金属切削加工的复杂性, 切削过程牵涉到刀刃前段刀具材料的大塑性变形, 高的切削温度, 新 鲜的具有化学敏感性的切出表面, 刀具以及加工表面的相当高的机械应力、热应力和刀具的磨损或破损 等等众多因素[1 ]. 因此, 尽管刀具在切削加工时的应力应变对加工精度、刀具耐用度等因素有重大影响, 但是在这方面的研究仍然进行得很少或仅限于用实验的方法[2 ]. 近年来, 随着计算机技术在工业中的广 泛应用和有限元技术的逐步完善, 用有限元法对刀具系统在切削过程中的状态进行模拟的方法越来越 多, 但是, 对于刀具在切削过程中所受到的应力场和温度场大多只是分别研究, 这当然与真实的切削状 况有一定的差距. 作者则综合考虑了刀具所受到的应力场和温度场, 并进行了刀具的温度- 应力耦合场 分析. 由于外圆车刀的切削部分可以看作各类刀具切削部分的基本形态, 故作者以外圆车刀为例分析了 车刀各主要几何角度对车刀的刚度及强度的影响. 1　分析方案的确立 车刀的主要几何角度有前角(C o) , 后角(A o ) , 主偏角(k r) , 副偏角(k′ r ) 及刃倾角(K s ) , 因此只需对这5 个因素进行考察. 根据二水平正交表的要求, 作者给出刀 具几何角度的分组, 如表1 所示[4 ]. 　　作者根据每一组刀具的角度值, 在AN SYS 中用实 体造型构造了8 把车刀. 对于每把车刀所处的温度- 应 力耦合场, 采用了顺序分析的方法, 即首先进行温度场分 析(第一次分析) , 得到车刀内的温度场分布, 然后将第一 次分析得到的结果(温度场分布) 作为体载荷施加于应力 场分析(第二次分析) , 从而得到车刀的温度- 应力耦合 场分析的结果, 其数据流程如图示.__ 2　温度- 应力耦合场分析的数学物理方程 温度- 应力耦2　温度- 应力耦合场分析的数学物理方程 式中　M 为质量矩阵; C 为阻尼矩阵; K 为刚度矩阵; F 为力矢量; Q 为热流矢量; c 为比热矩阵; k 为传导矩阵; T 为温度矢量; u 为位移矢量 3　单元类型及载荷工况的确定 顺序耦合场分析相当于首先进行热分析, 然后再进行应力分析, 两次分析所采用的单元必须具有相 图2　车刀的网格划分及载荷分布图 Fig. 2　M esh and load distribution chart of a lathe cutter 同的结构型式; 并且由于两次分析之间有载荷的传递, 因 此两次分析只能进行一次单元网格划分, 这样才能保证两 次分析所用有限元模型的一致. 作者综合考虑各因素, 决 定热分析采用SOL ID70 单元, 应力分析采用SOL ID45 单 元, 两者同为8 节点线性单元. SOL ID70 具有一个温度自 由度, SOL ID45 具有U X , U Y , U Z , R X , R Y , R Z 6 个自由 度. 工件材料45 钢, 刀具材料W 18Cr4V; 载荷工况的选 择为不失一般性; 切削速度v = 25 m ?m in, 进给量f = 0. 3 mm ?r, 背吃刀量ap = 4 mm [5 ]. 由此得到: 切削力F z = 2 863N , 背向力F Y= 1 301N , 进给力FX = 1 278N , 切 削温度H= 406 ℃[1 ]. 将应力边界条件施加于划分完网格的车刀. 图2 为具 有第三组刀具角度值的车刀的网格划分及载荷分布图. 4　计算结果分析 由AN SYS 的后置处理程序, 可以得到如表2, 表3 所示的基本数据. 　　当分析各主要几何角度的取值(本例为二水平) 对最大轴向变形量以及最大应力的影响时, 可以对数 据进行如下处理: 例如, 要分析后角对最大轴向变形的影响, 可令 式中　U X A为后角取大值(此例为8°) 时最大轴向变形量的平均值; U X A为后角取小值(此例为4°) 时最大轴向变形量的平均值. 5　结　论